一種家庭用新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械的設計

摘要針對中國老齡化速度進一步加快，老年人由于缺乏有效的鍛煉，肩、肘、腕關節經常會出現酸、疼、痛等現象，研制了一種家庭用新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械。通過理論設計計算，并基于 NX 對無急回四桿機構進行了正向運動學分析比較，確定了3 組桿長參數（分別對應2種姿態、3種不同運動形式、9種不同運動參數）作為設計方案;根據設計方案對手臂關節訓練器械進行了力平衡、載荷變化分析;根據理論設計計算及 NX 虛擬樣機動態仿真分析數據，試制并測試了訓練器械物理樣機的性能。結果表明，訓練器械安全、可靠、舒適，人體肩、肘、腕和腰關節都能得到較好的訓練。

關鍵詞新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械

Design of a New Type of Arm Joint Training Instrument with Multi-posture and Multi-motion Forms for Family Use

Xu Wenjun1，2 Zhou Jianfeng1 Zheng Liwen1 Lin Yuzhen1 Zhu Huifen3

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Quzhou Vocational and Technical College，Quzhou 324000，China）

（2 Hubei Province Key Laboratory of Modern Auto Part Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

（3 Quzhou People's Hospital，Quzhou 324000，China）

Abstract Aiming at the further acceleration of the aging speed in China ，and considering the lack of effective exercise for the elderly，their shoulders，elbows and wrist joints often suffer from soreness，pain，and other problems. Thus，a new type of arm joint training instrument with multi-posture and multi-motion forms for family use is developed. Through theoretical design and calculation，and based on NX，a forward kinematic analysis and comparison of the four-bar mechanism without rapid return is conducted，3 sets of rod length pa-rameters （corresponding to 2 attitudes，3 different motion forms，9 different motion parameters respectively） are determined as a design scheme，and the force balance and load change analysis of the arm joint training equip-ment are carried out by the design scheme. Finally，according to the theoretical design calculation and the dy-namic simulation analysis data of the NX virtual prototype，the performance of the physical prototype of the training instrument is trial-produced and tested. The test results show that the training instrument is safe，reli-able and comfortable，and the human shoulders，elbows，wrists and waist joints can be better trained.

Key words New type Multi-posture Multi-motion form Arm joint Training instrument

0引言

國內外關于手臂關節訓練裝置的研制，比較典型的有：徐東[1]設計了一種手腕關節康復訓練裝置，主要用于手腕關節的康復訓練。邢金秋等[2]設計了一種上肢訓練機械臂及訓練方法，主要用于肩關節訓練。羅燕美[3]設計了一種關節康復訓練裝置，主要對象為肘關節。陳思媛等[4]設計了一種便攜式肘關節康復訓練機器人，主要應用于肘關節訓練。賈曉麗等[5]設計了一種肢體康復器械，并基于 CATIA 進行了上下肢人機姿態仿真與評估，為康復器械優化提供了依據與方法。王金超等[6]設計了一種新型智能交互式上肢康復機器人，以二連桿機構為康復機械主體，可進行肩關節和肘關節鍛煉。呂超等[7]基于 Solid-Works 進行了變曲柄機構的下肢康復機設計，通過改變曲柄長度來調節步態運動，可滿足不同患者康復訓練的需要。張偉勝等[8]設計了一種新型4 自由度的上肢康復機器人，解決了大多數上肢康復機器人串聯式結構的弊端，但該機器結構復雜，價格高昂。易金花等[9]設計了一種中央驅動式上肢康復機器人，具有機械臂體積小巧、動力驅動系統集中等優點，但機械結構比較復雜，價格也較昂貴。 California State University 與 Chicago 康復研究所研制了可實現手臂屈伸運動的3-DOF 康復器械機器人 ARM Guide，通過一個主動 DOF ，由電機驅動直線導軌從而帶動手臂實現屈伸運動[10-11]，訓練方式較為單一。綜合現有文獻，現有手臂關節訓練器械功能比較單一，能同時鍛煉肩、肘和腕關節的還比較少，價格不菲也是現有設備的共同特點。本文中針對現有手臂關節訓練器械的現狀，基于 UG NX 開發設計一種家庭用新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械。

1設計方案

本設計遵循在實現功能相同的前提下，機械結構越簡單越好的機械設計原則，構思了一種能同時進行肩、肘和腕關節訓練的家庭用新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械設計方案。

（1 ）設計一種多姿態、多運動形式機構，用于手臂的圓弧曲線、近似橢圓曲線和圓周曲線訓練。本設計選用無急回四桿機構作為多姿態、多運動形式執行機構[12]。

（2 ）設計一種上下平移運動機構，用以調節多姿態多運動形式機構的高度以滿足不同身高人群的需要。本設計選用導軌滑塊機構作為多姿態、多運動形式機構實現上下平移運動的執行機構。

2理論設計計算與分析

2.1 四桿機構理論設計與計算

四桿機構如圖1 所示。設平面四桿機構中，4個桿件1 、桿件2 、桿件3 、桿件4 的長度分別為 l1、l2、 l3、l4。

根據設計方案，選取 l1為曲柄;l2為連架桿;l3為搖桿;l4為機架，曲柄 l1做圓周運動，搖桿 l3做圓弧運動，連桿 l2上面的點做近似橢圓運動。

根據曲柄搖桿機構工作原理，建立桿件矢量方程為

根據式（1 ），求解位移方程為

式中，

由式（2）對時間 t 求導，得桿件速度方程為

求解得速度為

由式（3）對時間 t 求導，得加速度方程為

令： B = yb + l2φ 22 cos φ2- l3φ 32 cos φ3

求解得加速度為

在 NX 中建立人體模型，身高取175 cm ，如圖2所示。測量顯示，手臂長度為654 mm 。考慮中國老年人身高因素，取手臂長度為 600 mm ，即 l3=600 mm。

根據曲柄搖桿機構的特點，當極位夾角θ =0°時，行程速比系數 K =1 ，如式（7）所示。此時，機構在工作行程階段與空回行程階段的平均速度相等，亦即機構具有無急回運動特性。

四桿機構無急回運動特性的條件為

根據上述條件作曲柄搖桿機構簡圖，如圖 3所示。

2.2 無急回四桿機構正向運動學分析比較設計

（1 ）初定曲柄長度 l1并計算 l2，初定機架 l4的長度為800 mm ，搖桿 l3的擺角為90°，根據圖3 所示幾何位置關系可得

根據式（8）計算得到

（2 ）改變曲柄長度 l1，計算對應連架桿長度 l2的10組方案設計數據如表1 所示。

（3 ）分析曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響。

根據表1 數據，在 UG NX 中建立四桿機構虛擬樣機模型[13]，并進行運動學仿真，分析曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響（兩個周期），結果如圖4 所示。

通過運動學仿真分析，同時得到搖桿 l3的擺角幅度，如表2 所示。

由圖4 和表2 可知，隨著曲柄長度 l1的減小，連架桿長度 l2也減小，搖桿 l3的擺角幅度也越來越小，且搖桿 l3的角速度變化幅度也趨于平穩。

圖4 曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響

由圖 4可知搖桿角速度的變化幅度，如表 3所示。

比較以上10組設計方案，最終選擇初定組、第5 組、第7 組數據作為設計方案，如表4 所示。

2.3 手臂關節訓練器械整體結構設計

根據理論設計計算數據，基于 NX建立手臂關節訓練器械數字樣機模型，其結構如圖5所示。

2.4 無急回運動四桿機構力平衡、載荷變化分析[14]

無急回四桿機構手臂關節訓練器械工作時，驅動電機載荷呈周期性變化。當搖桿 l3處于水平位置時，電機需要克服四桿重力（材料為6061Al，密度ρ=2.75 g/cm3）及手臂作用力矩做功，此時電機所需轉矩最大，如圖6所示。

由圖6可知，當桿 l3水平時，桿 l1接近水平位置，桿 l2接近豎直位置。

電機轉矩計算：

式中， G1為桿 l1重量， 0.56×9.8 N; G2為桿 l2重量，0.88×9.8 N; G3為桿 l3重量，0.83×9.8 N; G 手臂為手臂重量，2×9.8 N。

手臂關節訓練器械工作周期 T 約4 s ，由此計算得電機轉速約15 r/min。

根據轉矩及轉速，同時考慮安全系數，選擇12v 24v 600JSX-4468型蝸輪蝸桿大力矩方形減速箱交流電機為四桿機構驅動電機，其帶有自鎖電機馬達，額定轉矩為200 N ?m

3樣機試驗

根據理論設計計算數據及虛擬樣機動態仿真分析結果，試制了新型智能手臂關節訓練器械物理樣機，如圖7 所示。通過20位試驗者的試驗，均感覺舒適，肩、肘、腕和腰關節都能得到較好的訓練。此外，還可通過四桿機構的左/右不同位置裝配（圖7（ a ）、圖7（b）），來實現左/右手互換訓練，從而提高訓練器械的使用效率。

樣機試驗表明，人體手臂在訓練器械的牽引下作被動運動，手臂處于放松狀態，各關節受力都比較小，完全在人體可接受范圍之內。

隨機選取20人（10位男性， 10位女性）作為試驗對象如表5 所示，所有接受試驗的均為成年人。

試驗記錄各關節最大角度和最小角度值，最終得到上肢關節訓練的實際活動角度范圍如表6 所示。將此數據和正常人上肢關節活動范圍數據對比，可知各關節的活動范圍都在人體手臂關節正常活動范圍之內[15]。試驗結果表明受試者感覺舒適、安全、可靠，肩關節、肘關節、腕關節和腰關節都能得到較好的訓練。

4結論

針對傳統老年人訓練器械現狀，設計了一種家庭用新型多姿態多運動形式手臂關節訓練器械，應用 NX 虛擬樣機軟件對機器的多姿態、多運動形式進行了數學建模分析，并試制了物理樣機。最終通過物理樣機性能的測試，驗證了新型手臂關節訓練器械具有多姿態變換和多運動形式功能，同時也驗證了其安全性、可靠性和舒適性。

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收稿日期：2021-04-09修回日期：2021-04-30

基金項目：衢州市“新115人才工程”資助科研項目（衢人社專【2019】85號）

衢州市科技攻關項目（2021067）

浙江省大學生科技創新項目（2016R467003）

作者簡介：徐文俊（1981—），男，浙江江山人，碩士，副教授;主要研究方向為機械設計 CAD/CAE/CAM。